Reactoarele nucleare by Vrabie Victoria

Informație generală

vrabie_victoria — 2018-04-26 13:04:25 UTC

Un reactor nuclear este o instalație tehnologică în care are loc o reacție de fisiune nucleară în lanț în condiții controlate, astfel încât să poată fi valorificată căldura generată sau utilizate fascicolele de neutroni .

Reactoarele nucleare au trei tipuri de aplicații.

Cea mai semnificativă aplicație comercială este producerea de energie electrică sau de căldură (termoficare, procese industriale).

O altă aplicație este propulsia navală (în special pentru scopuri militare).

Există și reactoare nucleare pentru cercetare unde fascicolele de neutroni se folosesc pentru activități științifice sau pentru producerea de radioizotopi destinați utilizărilor civile (medicină, industrie, cercetare), sau militare (arme nucleare).

Componentele

vrabie_victoria — 2018-04-26 13:07:44 UTC

Reactoarele nucleare de fisiune, indiferent de destinația lor, au următoarele elemente comune:
Combustibilul nuclear Reacția de fisiune în lanț are loc în combustibilul nuclear. Aproape toate reactoarele nucleare utilizează uraniul drept combustibil. Reactoarele comerciale, cu câteva excepții, utilizează uraniul îmbogățit 2-5% în izotopul U235. Unele reactoare utilizează un combustibil ce conține pe lângă uranium și plutoniu MOX), un alt element fisionabil. Combustibilul și structura mecanică în care este acesta așezat formează zona activă (inima) reactorului.

vrabie_victoria — 2018-04-26 13:14:47 UTC

Moderatorul Moderatorul este necesar pentru încetinirea neutronilor rezultați din fisiune (neutron termici) pentru a le crește eficiența de producere a unor noi reacții de fisiune. Moderatorul trebuie să fie un element ușor care permite neutronilor să se ciocnească fără a fi capturați. Ca moderatori se utilizează apa obișnuită, apa grea (deuterium) sau grafitul.
Agentul de răcire Pentru a menține temperatura combustibilului în limite tehnic acceptabile (sub punctul de topire) căldura eliberată prin fisiune sau prin dezintegrarea radioactivă trebuie extrasă din reactor cu ajutorul unui agent de răcire (apa obișnuită, apa grea, dioxid de carbon, heliu, metale topite, etc). Căldura preluată și transferată de agentul de răcire poate alimenta o turbină pentru a genera electricitate.
Barele de control Barele de control sunt realizate din material ce absorb neutronii precum: borul, argintul, indiul, cadmiul si hafniul. Ele sunt introduse în reactor pentru a reduce numărul de neutroni și a opri reacția de fisiune când este necesar, sau pentru a regla nivelul și distribuția spațială a puterii din reactor.
Alte componente Unele reactoare au zona activă învelită cu un reflector care are scopul de a returna neutronii ce părăsesc reactorul și a maximiza utilizarea lor eficientă. Adesea agentul de răcire și/sau moderatorul au și rolul de reflector. Zona activă și reflectorul sunt dispuse în interiorul unui vas rezistent la presiune (vasul reactorului). Pentru reducerea nivelului radiațiilor produse prin fisiune, zona activă este înconjurată de ecrane groase ce absorb radiațiile: beton, apă obișnuită, plumb, etc. Controlul și reglarea funcționării reactorului se realizează cu ajutorul a numeroase instrumente și sisteme de suport logistic care monitorizează (urmăresc) temperatura, presiunea, nivelul de radiație, nivelul de putere și alți parametri. Un reactor nuclear de fuziune încălzește combustibilul compus din Deuteriu și Tritiu până acesta se transformă în plasmă foarte fierbinte în care are loc reacția de fuziune. În exteriorul camerei în care se formează plasma se află o manta din Litiu care absoarbe neutronii energetici din fuziune pentru a produce combustibilul Tritiu. În manta neutronii produc și căldură care este evacuată cu o buclă de răcire cu apă și transferată unui schimbător de căldură pentru a produce abur. Aburul acționează o turbină producând electricitate.

Funcționarea reactorului cu fisiune

vrabie_victoria — 2018-04-26 13:18:43 UTC

Funcționarea reactorului nuclear se bazează pe reacția de fisiune indusă de neutroni prin care se eliberează energie, iar procesul poate fi controlat prin controlul numărului de neutroni disponibili.

U235 + n → 2 fragmente de fisiune + 2 sau 3 neutroni + β, γ + energie
Deoarece neutronii eliberați prin fisiune pot induce alte fisiuni apare posibilitatea perpetuării reacției (fisiune în lanț). În condiții optime reacția de fisiune se menține la nivel constant și avem o reacție în lanț controlată.
Neutronii expulzați prin fisiune au o energie cinetică ce corespunde unei viteze de circa 13 800 km/s (neutroni rapizi). Pentru a produce fisiunea uraniului 235neutronii trebuie să aibă energii mult mai mici, adică să fie în echilibru termic cu mediul înconjurător (neutroni termici). Neutronii rapizi sunt încetiniți prin ciocnirea cu atomii moderatorului. Hidrogenul (apa ușoară) cu masă egală cu cea a neutronului ar părea cel mai bun moderator dar el poate absoarbe ușor neutronii scăzând numărul lor. Deuteriul (apa grea) are avantajul că absoarbe mai puțini neutroni realizând mai ușor perpetuarea reacției în lanț.
În reactor numărul de neutroni este rezultatul competiției dintre procesul de fisiune (care generează neutroni) și a procesesele neproductive de absorbție în materialele reactorului sau de scurgere în afara reactorului. Autoîntreținerea reacției de fisiune depinde de vitezele proceselor menționate care determină constanta de multiplicare:
keff = Viteza de producere/(viteza de absorbție în materiale+ viteza de scurgere din reactor)
keff < 1 Numărul de neutroni scade în timp ș reactorul se oprește (reactor subcritic). keff = 1 Reacție în lanț auto întreținută (reactor critic în stare stațonară) keff > 1 Numărul de neutroni crește permanet (reactor supercritic). Viteza de scurgere a neutronilor din reactor este invers proporțională cu mărimea acestuia. Pentru a avea keff = 1 reactorul trebuie să aibă o dimensiune minimă respectiv o masă critică.

Cum funcţionează un reactor nuclear

vrabie_victoria — 2018-04-26 13:23:09 UTC

Reactoarele nucleare funcţionează pe principiul că fisiunea nucleară (ruperea unui atom greu în mai mulţi atomi uşori) degajă căldură, care poate fi utilizată pentru a transforma apa în vapori, scrie BBC. Vaporii vor alimenta turbina, care va transforma energia lor în energie mecanică.
Un reactor nuclear tipic foloseşte uraniu îmbogăţit, sub forma unor "granule" mari cât o monedă şi lungi de 2,5 cm. Granulele sunt ţinute într-o cameră bine presurizată şi foarte bine izolată.
În multe centrale, camera cu uraniu este ţinută sub apă, pentru a nu risca supraîncălzirea. În altele, se foloseşte dioxid de carbon sau metal lichid, în acelaşi scop.
Pentru a se produce reacţia de fisiune a atomilor de uraniu, elementul trebuie să se afle în stare "critică". Adică uraniul trebuie să fie suficient de îmbogăţit (cu o concentraţie radioactivă mai mare) încât să permită apariţia unei reacţii de fisiune în lanţ, care să se auto-susţină.

Siguranță

vrabie_victoria — 2018-04-26 13:25:46 UTC

Cateva reguli simple de siguranta pentru un reactor sunt:
1) Abilitatea de a fi inchis rapid atunci cand este nevoie
2) De a tine miezul acoperit cu apa
3) A pastra camasa rectorului intacta
Pentru a aplica aceste masuri generale folosim legile fizicii astfel incat daca dispozitivele de protectie sunt mecanice sunt prevazute cel putin doua tipuri de sisteme astfel incat acestea sa nu fie afectate simultan de erorile de functionare.

Accidente nucleare

vrabie_victoria — 2018-04-26 13:29:44 UTC

Exista o diferenta fundamentala intre explozia unei bombe nucleare si explozia la un reactoar nuclear! De fapt exploziile nucleare sunt imposibile intr-un reactor nuclear, desi explozii termice (Cernobil) si chimice (Fukushima) obisnuite sunt posibile. Prin urmare, nu exista efecte, cum ar fi flash-uri puternice de lumina. Principala consecinta a unei explozii la un reactor este eliberarea de material radioactiv in atmosfera care apoi formeaza reziduuri radioactive. Impactul acestor scurgeri depinde de conditiile meteorologice din acel moment(vant si ploaie in special).

Istorie

vrabie_victoria — 2018-04-26 14:06:33 UTC

Enrico Fermi și Leó Szilárd, ambii de la Universitatea din Chicago, au fost primii care au construit o pilă nucleară și au prezentat o reacție în lanț controlată, pe 2 Decembrie 1942. În 1955 ei și-au împărțit patentul de invenție pentru reactorul nuclear U.S. Patent 2.708.656. Primul reactor nuclear din SUA a fost utilizat pentru a produce plutoniu pentru arma nucleară. Alte reactoare au fost folosite în propulsia navală (submarine, nave militare).

vrabie_victoria — 2018-04-26 14:08:56 UTC

Enrico Fermi (n. 29 septembrie 1901; d. 28 noiembrie 1954) a fost un fizician italian, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică pe anul 1938, descoperitorul fisiunii nucleare. A avut un rol important în conceperea proiectului Manhattan de punere la punct a bombei nucleare.

vrabie_victoria — 2018-04-26 14:10:54 UTC

Leó Szilárd (n. 11 februarie 1898, Budapesta - d. 30 mai 1964, La Jolla, California) a fost un fizician evreu maghiar, cetățean american. A formulat ipoteza existenței reacțiilor nucleare în lanț și, împreună cu Enrico Fermi, a construit primul reactor nuclear.
A redactat o scrisoare, semnată de Albert Einstein, în urma căreia a fost inițiat Proiectul Manhattan. După realizarea bombei atomice a pledat împotriva utilizării ei în război. A considerat lansarea primei bombe la Hiroshima drept eroare, iar lansarea celei de a doua la Nagasaki drept barbarie.

vrabie_victoria — 2018-04-26 14:12:13 UTC

Pe 20 Decembrie 1951, în SUA, a fost generat pentru prima dată curent electric folosind fisiunea nucleară la reactorul rapid experimental (EBR-1) localizat lângă Arco, statul Idaho. Pe 26 Iunie 1954 a început să genereze curent electric reactorul nuclear de la Obninsk. Alți reactori de putere au început să funcționeze la Calder Hall în 1956 și Shippingport - Pennsylvania în 1957. Expresia optimismului față de energia nucleară a fost celebra sintagma a lui Lewis Strauss, președintele USAEC “too cheap to matter” (prea ieftin să conteze).
Utilizarea comercială a energeticii nucleare începe cu reactorul prototip(PWR) Yankee Rowe de 250 MWe pus în funcțiune de Westinghouse în 1960 și cu reactorul (BWR) Dresden-1 de 250 MWe proiectat de General Electric și pus în funcțiune în tot în 1960. În Canada a fost dezvoltat reactorul CANDU, prima unitate fiind pusă în funcțiune în 1962. Franța a început dezvoltarea reactorului cu gaz-grafit și a pus în funcțiune primul reactor comercial în 1959. Ulterior a adoptat filiera PWR pe care o dezvoltă și în prezent. Uniunea Sovietică a pus în funcțiune primul prototip comercial (grafit și apă în fierbere) de 100 MW la Beloyarsk. Ulterior a dezvoltat filiera cu apă ușară cunoscută sub denumirea VVER. Embargoul petrolier din 1973 a dat un puternic impuls energeticii nucleare. Cel mai spectaculos program nuclear a fost cel francez cre totaliza 34 900 MWe. Pe lîngă SUA (20% din producția de electricitate), programe nucleare importante au fost demarate în multe țări europene (Germania, Suedia, Spania, Belgia, Italia, Elveția, Finlanda, Cehia) sau din Asia (Japonia, Coreea de sud).

Sfârșit. Bibliografie

vrabie_victoria — 2018-04-26 14:15:05 UTC

A realizat - Vrabie Victorie
Disciplină - Fizică
Profesoară - Reuleț Angela